金屬礦山采空區(qū)災(zāi)害防治技術(shù)研究綜述

曹貞兵

（云南馳宏鋅鍺股份有限公司，云南 曲靖 655000）

金屬礦山作為一種工業(yè)結(jié)構(gòu)區(qū)域，主要是為了開采有關(guān)地質(zhì)金屬元素礦石所建設(shè)。金屬礦石按其類型，通?？梢园呀饘俚V山區(qū)別為核工業(yè)礦山，有色礦山和稀土礦山等等。一般來說，形成地表坍塌現(xiàn)象以及井下透水的關(guān)鍵原因則是由于金屬礦山的圍巖相對堅硬而其頂板相對滯后的特征，如此一來，便在長久的開采作業(yè)中，產(chǎn)生了采空區(qū)。然而，另一個形成采空區(qū)的原因便是沒有及時地填充處理由于開采過程中所暴露出的地下金屬礦石空間。由于人們對金屬礦石的開采力度日益增大，采空區(qū)所暴露的問題也與日俱增，這就需要及時采取有效應(yīng)對方案，確保礦山生產(chǎn)以及周圍環(huán)境的安全。

1 關(guān)于金屬礦山采空區(qū)災(zāi)害的基本研究

1.1 有關(guān)采空區(qū)的類型及等別

由于礦體的形態(tài)規(guī)模以及采礦時所用方法存在的差異，這便形成了不同的采空區(qū)類型。然而，處理不同的采空區(qū)類型的方法也是有所差別的，以及它們的危害情況也不盡相同。通?？梢詫⒔饘俚V山的采空區(qū)分為三種基礎(chǔ)類別，即崩落模式、空場式以及充填式的采空區(qū)，空場模式下的采空區(qū)則是這三種基礎(chǔ)類別中的主要模式。從理論上分析，崩落法采空區(qū)在實際的生產(chǎn)過程中，由于金屬礦山圍巖的穩(wěn)固特征，其發(fā)生崩落后便產(chǎn)生了采礦區(qū)。然而充填法這種模式，理論上是沒有采空區(qū)的，它其實是在開挖礦房之后，短暫出現(xiàn)的一種采空區(qū)。在填充時未接頂?shù)那闆r下，也會有一些剩余的采空區(qū)出現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)行填充這些沒有進(jìn)行處理的采空區(qū)時，就形成了一種空場模式下的采空區(qū)。另外根據(jù)時間的久遠(yuǎn)，采空區(qū)也可以被劃分為老采空區(qū)或者是新采空區(qū)。根據(jù)其貫穿地表的情況，也有明采空區(qū)和暗采空區(qū)。從形態(tài)上也將劃分為點(diǎn)柱式采供區(qū)以及礦體原狀模式采空區(qū)。

目前的金屬礦山行業(yè)，對于采空區(qū)的等別方面還未能確立出統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。就國家安全監(jiān)管總局在全國范圍內(nèi)的大中型礦山采空區(qū)的調(diào)查結(jié)果來看，絕大多數(shù)的采空區(qū)位于1萬米之下，而有20%左右的采空區(qū)在1萬米。這些采空區(qū)在體積方面占據(jù)一半以上，特別是3萬米的采空區(qū)。而且這些采空區(qū)雖然數(shù)量很少，但體積卻占其總量的絕大比例。由此可以看出，做好采空區(qū)的災(zāi)害防治的關(guān)鍵點(diǎn)，便在于對采空區(qū)地壓的管理進(jìn)行妥善處理。據(jù)調(diào)查研究顯示，黃金礦山以及和工業(yè)礦山在規(guī)模上占的比例通常很小，而有色礦山的體積通常比較大，最大的采空區(qū)類型便是黑色礦山，由以上論述可以將采空區(qū)的詳細(xì)等別劃分為如下圖所示的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 采空區(qū)等別劃分示意圖

1.2 有關(guān)采空區(qū)的災(zāi)害類型

礦山生產(chǎn)活動的進(jìn)行與采空區(qū)有著密切的聯(lián)系，其中所導(dǎo)致的災(zāi)害類型主要有水災(zāi)、火災(zāi)和中毒窒息等，而主要類型事故則是低壓災(zāi)害和水害。

地壓災(zāi)害作為金屬礦山采空區(qū)最嚴(yán)重的危害，將其和煤礦所比較，金屬礦山在地質(zhì)條件方面形態(tài)普遍較復(fù)雜，而且圍巖很容易產(chǎn)生硬脆化的斷裂故障，在經(jīng)過了長時間的穩(wěn)定階段之后，采空區(qū)的礦柱有可能會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，這會使得頂板突然滑落，導(dǎo)致在金屬礦山之中形成地震，也稱礦震。另外，對于暗采空區(qū)來說，它也會在空氣之中形成一種強(qiáng)烈的沖擊波。當(dāng)采空區(qū)的上方覆蓋巖層厚度有缺陷時，采空區(qū)由于連續(xù)失穩(wěn)會產(chǎn)生變形以及地面坍塌現(xiàn)象，如此一來，也會使得相關(guān)設(shè)備設(shè)施掉落，建筑物塌陷，以及工作人員被壓埋的危險現(xiàn)象。若在采空區(qū)塌陷的周邊環(huán)境中有地表水或者高坡，那么也會引發(fā)山體滑坡或者地表水灌入井下等危險。

而就老采空區(qū)所形成的水害來說，它嚴(yán)重威脅到礦山的生產(chǎn)活動。在近10年里，我國陸續(xù)發(fā)生了大約16次金屬礦山的透水事故，而其中有10個突水事故是由于老采空區(qū)所形成的損害導(dǎo)致的，這種礦井水害也是一種極其主要的類型。作業(yè)于地下礦山的開挖工程時，若其工作場所的水位位于含水層之下，如果有了一定程度的靜水壓，超過其場所所能承受的最大壓力，水就會失衡而陷入采場之中或者井巷。當(dāng)回采工作結(jié)束之時，將采空區(qū)內(nèi)充水進(jìn)行封閉，這樣就是所謂的老采空區(qū)積水現(xiàn)象。特別對于一些時間很久的老采空區(qū)來說，當(dāng)有了新的采掘工程貫穿積水采空區(qū)的裂隙時，老化的采空區(qū)中所形成的積水就會迅速流入新建立的井巷里面，進(jìn)而引發(fā)透水故障。

1.3 有關(guān)采空區(qū)和采空區(qū)群的定義

迄今為止在金屬礦山的采礦學(xué)界，還沒有一些權(quán)威人士確切地針對采空區(qū)的定義進(jìn)行闡釋，他們研究更多的卻是有關(guān)地壓的相關(guān)定義。實際來說，在接觸礦山的開采方面，地壓的概念與采空區(qū)有著密切相關(guān)的聯(lián)系。比如說，處理采空區(qū)時，也可以被稱為是管理相應(yīng)的地壓。那么具體來說，關(guān)于采空區(qū)的定義則是，由于人們所從事的采礦活動，其中在開采礦石之后留下的一些空間所導(dǎo)致礦山災(zāi)害的風(fēng)險。這具體有兩個層次，在生產(chǎn)實際過程中的金屬礦山，采空區(qū)可以被稱作是沒有被填充的礦山采場；而就已經(jīng)廢棄了的金屬礦山來說，太空區(qū)則是地下所有的井巷工程以及采場。作為一個單獨(dú)的采空區(qū)，它的邊緣部分除了有巷道和井筒之外，還與外界所接通，而比較獨(dú)立的空間則連續(xù)地存在于內(nèi)部。坦白來說，獨(dú)立存在的采空區(qū)的數(shù)量是很少的，他們大部分都被經(jīng)過大小不等的劃分之后，以一種群落的方式來實行管理。而在實際的生產(chǎn)活動中，對于采空區(qū)單體以及群落的概念也是模糊不清的，這就使得采空區(qū)的范圍有著很大的不確定因素。為此，所謂采空區(qū)群的定義則是，通過按照所制定的規(guī)則來劃分一些在空間方面有著相互影響和共同作用的采空區(qū)群落。

2 現(xiàn)階段針對采空區(qū)災(zāi)害的研究

研究采空區(qū)災(zāi)害主要類型的相關(guān)內(nèi)容時，主要從它們的地壓、水害水災(zāi)以及透水故障這三個方面來進(jìn)行研究，重點(diǎn)則是對于采空區(qū)進(jìn)行相應(yīng)的風(fēng)險評估以及隱患治理，同時也對采空區(qū)的狀態(tài)實行探測預(yù)報。在國家的“十一五”期間，相關(guān)科技部門制定并實施了有關(guān)于非煤礦山的典型災(zāi)害以及礦井老空區(qū)的水害防治等項目工程。接著，在“十二五”計劃的時候，也在原來的基礎(chǔ)上進(jìn)行了關(guān)于金屬礦山的主要災(zāi)害預(yù)測示范性工程。

2.1 采空區(qū)監(jiān)測技術(shù)研究進(jìn)展

誠然，關(guān)于采空區(qū)監(jiān)測這一技術(shù)，它實際操作是在明確了采空區(qū)相關(guān)災(zāi)害風(fēng)險之后，針對短期內(nèi)未能消除的安全隱患，動態(tài)化地去檢測其表面所顯示出的物理數(shù)據(jù)，再經(jīng)過一系列的調(diào)整改動措施，使得災(zāi)害有效避免或者延緩災(zāi)害的爆發(fā)。如果實在不能夠避免災(zāi)害的情況下，也可以拉響預(yù)警，告知工作人員迅速撤離，以免造成人生安全危險。

針對一些易發(fā)生火災(zāi)風(fēng)險的采空區(qū)礦山來說，需要在此處建立相關(guān)我區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)，長期地去及時觀測火區(qū)的溫度和水質(zhì)情況，有效掌握火區(qū)的一系列變化特征。而在井下開采時經(jīng)常會使用到的儀表則是半導(dǎo)體溫度計和一系列的溫度計以及溫度自動記錄儀等相關(guān)設(shè)備。在傳輸模式方面，氣體監(jiān)測傳感器借助于無線通訊的方式自身形成組織網(wǎng)絡(luò)，大范圍的去對火區(qū)進(jìn)行智能化的監(jiān)測。

2.2 采空區(qū)災(zāi)害治理技術(shù)研究進(jìn)展

針對采空區(qū)的處理方法通常從密閉、崩落、穩(wěn)固和填充這四個方面來考慮，然而，這四種方法里面最為有效徹底而且環(huán)保效果也優(yōu)質(zhì)的處理方法則是充填采空區(qū)，但是，它的缺點(diǎn)則是所需成本較高、工程量以及工藝流程方面相對復(fù)雜以及采礦效率較為低下。但目前采礦行業(yè)的成本恢復(fù)情況不斷上升，其所需的成本也不再是一種嚴(yán)峻的問題。另外，其適用范圍也在我國大部分安全生產(chǎn)監(jiān)管部門之中，其效果極佳。

根據(jù)充填材料來進(jìn)行劃分，有著干化充填、膏體充填和水砂充填等等。但是，干式充填早已被棄用，而尾砂膠結(jié)在我國大范圍內(nèi)均適用?；谀承┏杀疽蛩氐闹萍s影響，膏體充填作為一種新興起的充填技術(shù)，也將成為一種新的發(fā)展方向。

針對一些連續(xù)的點(diǎn)柱式開采下的采空區(qū)來講，其中所選用的框架結(jié)構(gòu)通常是人工礦柱，水平和垂直方面不規(guī)則地進(jìn)行分隔化采空區(qū)，這也使得一些連續(xù)的采空區(qū)變成了相對獨(dú)立的空區(qū)，面積較大的采空區(qū)也在逐漸縮小。對于一些年代久遠(yuǎn)的采空區(qū)所形成的水害危險來看，它們的重點(diǎn)應(yīng)該放在預(yù)防方面，如果現(xiàn)階段所實施的開采工程波及到一些老采空區(qū)的水體時，就要及時地采取有效措施，對其進(jìn)行注漿加固，或者放水疏干等，將危險控制在可以接受的范圍之內(nèi)。對于采空區(qū)所造成的一些火災(zāi)風(fēng)險，便要對其進(jìn)行隔離措施，注入氮?dú)鈦砀綦x空氣，并通過一些充填來避免礦石發(fā)生自燃現(xiàn)象。

2.3 采空區(qū)探測技術(shù)研究進(jìn)展

實際上，礦山地質(zhì)勘測技術(shù)是采空區(qū)探測技術(shù)基礎(chǔ)。從傳統(tǒng)模式下的方法來看，采空區(qū)探測是由鉆探或坑探技術(shù)來直接地對采空區(qū)進(jìn)行暴露，但是同樣這種方法其工程施工量較大，而且存在著效率低下的弊端，其工期費(fèi)用也非常高，或多或少有著相對的盲目特點(diǎn)。就現(xiàn)階段來看，依據(jù)地球物理方法來對采空區(qū)進(jìn)行探測的技術(shù)得以普遍運(yùn)用，使用較多的方法具體有電磁波法，電阻率以及重力法等等。而且伴隨著物探技術(shù)日益的提高，也有了新興的三維地震基礎(chǔ)法、瞬變電磁法和紅外測水法等一系列高科技技術(shù)。這些方法的構(gòu)建通常是根據(jù)地球的基本物理原理所創(chuàng)造出來的，基于采空區(qū)水害和火區(qū)的不同物理特征，對其進(jìn)行實時的監(jiān)測以及相應(yīng)解釋，可以使得有效定位采空區(qū)的探測靶區(qū)。但是，這些方法在精準(zhǔn)的定位采空區(qū)以及探測空間形態(tài)方面仍然存在著些許缺陷，未能切實地滿足生產(chǎn)的實際需求。

舉例來說，由于一些地球的物理基本原理因素，在金屬礦山地采礦過程當(dāng)中應(yīng)用電磁法進(jìn)行探測時，很難直接的通過電阻率來確定水體和金屬礦床的具體位置，其準(zhǔn)確性很難有效得以保障。在近幾年中，地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)也被廣泛應(yīng)用在鐵路和公路等行業(yè)之中，而井下所實行的地震波探測法，從其預(yù)報數(shù)據(jù)來看，也有著極高的可靠性。通過雷達(dá)或者激光掃描，也可以結(jié)合預(yù)報結(jié)果來精確地獲得采空區(qū)的實時形態(tài)。

3 結(jié)語

綜合以上所論述便知，地質(zhì)災(zāi)害是致使采空區(qū)發(fā)生危險的主要源頭。而且一些金屬礦山企業(yè)對于采空區(qū)的治理工作重視程度不夠，這也使得在金屬礦山資源的開采方面危險性極大增加。除此之外，我國還大范圍的存在著一些沒有進(jìn)行處理的采空區(qū)，針對一些亂踩亂挖的牧民采礦區(qū)，其存在的安全隱患極大，這嚴(yán)重地威脅到了工作人員的生命財產(chǎn)安全。因此，本文從采空區(qū)災(zāi)害的基本研究，以及現(xiàn)階段對其的治理情況，來對采空區(qū)的相關(guān)工作開展進(jìn)行分析，希望為采空區(qū)治理工作今后的順利開展提供指導(dǎo)性的建議。